【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电催化，具体为一种新型铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的制备方法及应用。
技术介绍
1、随着现代社会对石化资源的日益依赖，co2排放问题已经不仅仅是一个环境问题，更是已经上升到了国际关系和关乎人类生存与发展的高度。随着双碳目标的推进，众多行业都在寻找二氧化碳的捕集和利用方法。目前主要通过电催化、光催化、光电催化、生物催化等途径来实现co2的转化与利用。co2电还原是一种高效且环境友好型的转化利用方法，即在施加一定还原电位的条件下，阴极表面及附近的co2转化生成其他高价值的含碳化合物。通过电还原技术将co2转化生成co、hcooh、乙醇、乙酸、丙醇、丙烷、丙酸等多种含碳化合物。因此，将co2电化学还原为燃料和化学品被认为是储存可持续能源和解决气候问题的重要途径，也是实现碳中和的有效手段。
2、co2电还原主要受电极催化剂、电解液种类和局部电极电位等因素影响，其中，高效催化剂的研发是其技术的关键。但是，目前常用的电催化材料具有高成本、活性低、稳定性差等缺陷。金属铋在co2电还原方面具有高度的催化活性和选择性。但是，其电催化还原的电流密度和法拉第效率还有待进一步提高。目前，已发展了晶面暴露、形貌控制、离子掺杂和复合等多种方法提高其电催化剂电催化活性，已成为近年来的研究热点。
3、中国专利cn115992365a，公开了一种铋金属掺杂的氮化碳催化剂及其制备方法与应用，以尿素和铋源为原料，经过混合、冷冻干燥、煅烧、酸洗和后处理得到多孔片状铋金属掺杂的氮化碳催化剂。但是，该方法仍然存在一些不足：(1)制备的
技术实现思路
1、本专利技术提供了一种新型铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的制备方法及应用，可以解决在催化co2电催化还原过程中易发生还原和重构反应，增加活性位点的识别及性能调控难度的问题。
2、本申请提供如下技术方案：
3、一种新型铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4、s1、将尿素、氯化铵加入至水中，搅拌均匀，进行冷冻干燥，得到螯合配体；
5、s2、将柠檬酸铋加入至螯合配体中，研磨，进行固相反应，得到前驱体；
6、s3、将前驱体在氮气保护下，以2～5℃/min的升温速度升温至550℃，保温2～3h，以2～5℃/min升温速度升温至650～800℃，保温2～3h，自然冷却至室温，得到铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂。
7、铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂为将超细金属铋纳米颗粒包埋于富氮石墨碳之内，构成了夹心式多孔结构。
8、铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用。应用方法包括如下步骤：
9、1)向铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂加入无水乙醇和nafion，超声处理分散均匀，得到悬浊液；
10、2)将悬浊液均匀涂在碳纸上，烘干，得到负载有铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的碳纸；
11、3)以负载有铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的碳纸作为工作电极，以ag/agcl作为参比电极，以铂片作为对电极，khco3溶液作为电解质溶液，通入co2进行电催化还原。
12、有益效果：在制备过程中尿素起到螯合作用，氯化铵起到分散和形成孔结构的作用，尿素和氯化铵通过冷冻干燥形成混合均匀、高度结晶的螯合配体，将柠檬酸铋加入至螯合配体中，进行研磨，可以使柠檬酸铋与螯合配体充分配位结合，并提高其分散性。这种复合结构有利于稳定柠檬酸铋中的铋离子，并在后续的煅烧过程中限制了铋纳米颗粒内部的原子扩散，确保铋纳米颗粒的超细粒径和均匀分散。采用分步煅烧法，确保活性组分在碳化过程中的分散性和稳定性，抑制纳米颗粒团聚及尺寸增长，从而，获得超细金属铋纳米颗粒，并将其包埋于富氮石墨碳之内，构成了夹心式多孔结构，提高活性组分的分散性，增加催化活性位点，进而提高电极材料的电催化还原性能和稳定性。本申请制得的铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂在电催化还原二氧化碳过程中表现出优异的选择性和稳定性，能够长时间保持高效的催化活性，相较于传统的铋基催化剂，极大的提高了催化效率。
13、同时，本技术方案的制备方法操作步骤简便，制备过程无需使用有害有机溶剂，减少了环境污染的风险，符合绿色化学的发展理念。具有实用性强、流程简单、普遍适用性好等优点，具有工业化应用前景。而且本技术方案采用的原料价格低廉且易于获取，制备过程简单易行，降低了生产成本，提高了经济效益。
14、进一步，所述尿素、氯化铵和柠檬酸铋的质量比为10：3：0.5～3。优选地，尿素、氯化铵和柠檬酸铋的质量比为10：3：1～2。
15、上述尿素、氯化铵和柠檬酸铋的质量比，确保螯合配体与铋源的有效结合，促进均匀分散的超细铋纳米晶的形成。
16、进一步，步骤s2的研磨采用球磨，转速为150转/分钟。
17、采用球磨进行干式研磨，进一步减小柠檬酸铋和螯合配体的颗粒尺寸，获得更细小且均匀的粉末，有助于在后续处理中形成具有高比表面积和良好分散性的材料，提升最终产品的性能。
18、进一步，步骤s3冷却至室温后进行研磨，用去离子水进行清洗，真空干燥，干燥温度为80～85℃，干燥时间为2～2.5h。
19、进行研磨后用去离子水进行清洗，确保有效去除杂质而不引入新污染，保持催化剂纯净。干燥过程中，保证水分充分蒸发的同时避免高温破坏材料结构。
20、进一步，步骤2)所述负载有铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的碳纸，铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的负载量为0.2～1.0mg/cm2。
21、该负载量既提高了催化活性位点的数量，又避免了颗粒粒径增加，显著提升了电催化还原co2的选择性和效率，同时延长了催化剂的使用寿命。
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1.一种新型铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述尿素、氯化铵和柠檬酸铋的质量比为10：3：0.5～3。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述尿素、氯化铵和柠檬酸铋的质量比为10：3：1～2。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S2的研磨采用球磨，转速为150转/分钟。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤S3冷却至室温后进行研磨，用去离子水进行清洗，真空干燥，干燥温度为80～85℃，干燥时间为2～2.5h。
6.权利要求1-5中任一项所述的制备方法制得的铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂。
7.根据权利要求6所述的铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂，其特征在于，将超细金属铋纳米颗粒包埋于富氮石墨碳之内，构成了夹心式多孔结构。
8.权利要求6或7所述铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂在电催化还原二氧化碳中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：应用方法包括如下步骤：p>
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：步骤2)所述负载有铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的碳纸，铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的负载量为0.2～1.0mg/cm2。
...【技术特征摘要】
1.一种新型铋纳米晶/富氮石墨碳电催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述尿素、氯化铵和柠檬酸铋的质量比为10：3：0.5～3。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述尿素、氯化铵和柠檬酸铋的质量比为10：3：1～2。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s2的研磨采用球磨，转速为150转/分钟。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤s3冷却至室温后进行研磨，用去离子水进行清洗，真空干燥，干燥温度为80～85℃，干燥时间为2～2.5h。...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄永葵，李林芝，汤罄宇，龙吉海，张烨，周建坤，邓智，徐铫，张健强，贺培，
申请(专利权)人：重庆地质矿产研究院，
类型：发明
国别省市：
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